基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统
阅读说明：本技术 基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统 (Seed metering real-time monitoring system of air-aspiration type seed metering device based on capacitive sensor ) 是由 胡斌 徐洛川 王剑 郭孟宇 罗昕 毛自斌 蔡一全 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统,其主要由电容式传感器、电容采集模块、单片机控制模块、电压转换模块、USB通信模块和电源模块组成,其中电容式传感器与电容采集模块连接,电容采集模块分别与单片机单片机控制模块和电压转换模块连接,单片机控制模块分别与上位机和电源模块连接,上位机设有触摸屏可以通过虚拟仪器软件Labview实现人机交互。该排种监测系统能够实现对气吸式排种器取种盘取种情况的实时监测,从而实现对气吸式排种器排种过程的实时监测。打破了传统监测系统的易受环境影响的问题,提高了系统的可靠性和稳定性,并且能够及时发现排种器故障并及时发出报警。(The invention provides a capacitive sensor-based real-time seed metering monitoring system of an air-aspiration type seed metering device, which mainly comprises a capacitive sensor, a capacitance acquisition module, a single-chip microcomputer control module, a voltage conversion module, a USB communication module and a power supply module, wherein the capacitive sensor is connected with the capacitance acquisition module, the capacitance acquisition module is respectively connected with the single-chip microcomputer control module and the voltage conversion module, the single-chip microcomputer control module is respectively connected with an upper computer and the power supply module, and the upper computer is provided with a touch screen which can realize human-computer interaction through Labview software of a virtual instrument. The seed metering monitoring system can realize the real-time monitoring of the seed taking condition of the seed taking plate of the air-suction type seed metering device, thereby realizing the real-time monitoring of the seed metering process of the air-suction type seed metering device. The problem that a traditional monitoring system is easily influenced by the environment is solved, the reliability and the stability of the system are improved, the faults of the seeding apparatus can be found in time, and an alarm can be given in time.)
技术领域
本发明属于排种器性能实时监测系统，具体涉及一种多通道电容式气吸式排种器排种实时监测系统，通过建立电容式传感器的电容变化量同排种量的关系，可以在线实时监测气吸式排种器取种盘的取种情况，实现对播种过中出现的重播、漏播和排种器排空等故障的报警。
背景技术
精密播种是精密播种机的重要一环，排种器的关键性能决定了播种机的播种质量。然而在传统农业播种中常常出现重播、漏播以及排种器排空等故障，严重影响排种器的播种质量，并且这些由于排种器故障而导致的播种质量问题，往往需要通过后期出苗后再进行补苗或间苗，增加了农业生产的成本，因此在农业生产中需要一套为保证能够及时发现气吸式排种器排种故障的排种器监测系统。目前我国传统的排种监测系统的传感器主要以光电传感器为主，该系统的监测对象主要针对导种管中的种子流，当种子在导种管中通过系统的检测区域时，由于种子自身遮挡发光二极管的光束，这时光电传感器也会产生与种子数量相应的脉冲信号，根据其脉冲信号和产生脉冲信号的时间差，便可以判断出播种量，通过运算即可获得播种机的播种指标。该检测系统其工作条件要求较高，且该监测系统易受环境影响，可靠性不高，并其在多粒种子重叠的情况下，该监测系统无法准确分辨出种子粒数。因此需要一套可靠性高，且不易受环境影响，能够实时监测气吸式排种器排种过程的实时监测系统，以及能够实现对排种过程中重漏播和排种器排空等故障的及时报警，帮助操作人员及时发现并排除故障，保证播种机的播种质量。
发明内容
本发明主要针对研究背景中存在的不足，为提高排种器排种性能的监测精度，实现对气吸式排种器在工作过程中出现的重播、漏播以及排种器排空等排种故障的报警，而提出一种基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统。
本发明基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统，主要包括电容式传感器、电容采集模块、单片机控制模块、电源模块、USB串口通信模块和上位机组成，其特征在于电容式传感器的极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端通过同轴接口和屏蔽导线与电容采集模块连接，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接，借助于PCap02芯片的寄生电容补偿功能实现外部寄生电容的自动补偿，以避免外部寄生电容对电容测量精度的影响。电容采集模块分别与单片机控制模块和电压转换模块连接，其中电容采集模块中的电容数字转换芯片通过I2C总线与单片机控制模块进行连接，实现编程和数据输出。电压转换模块将车载±12V的稳压电源转换，稳定输出5V和3.3V电压以保证电容采集模块、单片机模块和其他电器元件的正常工作。单片机控制模块分别与上位机和电压转换模块连接，上位机设有触摸屏作为人机交互的终端，通过虚拟仪器软件Labview设计人机交互的界面，操作人员可以实时获取取种盘的取种情况，以便操作人员及时发现排种故障。
电容式传感器，该装置由单片叉指型电容极板组成，用于产生稳定的电场，形成电容传感器的检测区域。电容传感器的主要尺寸如附图3所示包括基板长度B、极板长度L、极板宽度a、极板齿宽b、极板间距d和极板侧宽e。如附图5所示，本发明的电容传感器安装在气吸式排种器的排种盖上，为满足电容传感器的工作要求，电容传感器的位置参数极其重要，其中主要包括极板距离取种盘的间距和在平行于取种盘情况下电容传感器自身的角度，这两个参数主要通过两个螺栓分别与螺纹孔和弧形槽配合实现调节。电容传感器极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端，通过同轴接口和屏蔽导线与电容采集模块连接，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接，借助于Pcap02芯片的寄生电容补偿功能实现外部寄生电容的自动补偿，以避免外部寄生电容对电容测量精度的影响。当取种盘携种经过电容传感器的检测空间时，极板监测空间的介质发生改变，并且电容极板的电容值也会发生变化，由于取种盘空场、单粒和多粒种子三种取种情况所引起极板电容量的变化不同，所以通过检测极板的电容变化量，就可以确定取种盘的取种情况。从而进一步判断出重播和漏播，并且当一定工作时间内极板的电容变化量基本为零时，即可判断为种箱排空或负压不足，需要进行补种或检查负压管路。
电容采集模块，该模块主要由德国acam公司的电容测量芯片PCap02所组成的电路,该芯片的转换时间范围最小可达到2us的高精度时间转换，测量范围为几皮法至几百纳法，测量精度最高可以达到15aF。该芯片可以通过单一接地和差动连接两种方式，对内部寄生电容进行补偿，另一方面通过内部集成的温度传感器和外接传感器可以实现温度补偿。该芯片外部电路简单，可以克服寄生电容。该模块主要实时采集极板的电容值，并将测量结果存在相应的结果寄存器中。排种器精密播种过程中，当取种盘携种经过电容传感器的检测空间时，电容极板的电容值会发生变化，由于取种盘空场、单粒和多粒种子三种取种情况所引起极板电容量的变化不同，所以通过检测极板的电容变化量，就可以确定取种盘的取种情况，进一步计算得到排种器的性能指标。
本发明设计的单片式叉指型电容传感器与传统平行板电容传感器相比，系统的检测精度有所提高，且利用极板的边缘效应引起的电场两部分，在极板上方构成了整个工作空间。通过检测电容量的变化量并分析统计，就实时监测取种盘的取种情况，从而进一步获得排种器的性能指标。
如附图4所示：以单片式矩形电极极板所在平面为横轴x，且以极板间距d的中心点为坐标原点。在该直角坐标系下，电场线在该直角坐标系内以近似的半椭圆分布，极板上的点在x轴上的坐标可以表示为（d/2，0），（-d/2，0），则椭圆半周长CAB可表示为：
根据电场强度 ,电荷密度
其中E为检测区域的电场强度，U0为施加在电容传感器的激励电压，检测区域 的等效介电常数，CAB为电容传感器的电容值
则x轴上部的电量Q为：
则极板在不考虑边缘效应的条件下，其基础电容为：
当极板的宽度a关于电极间距d的相对值较小时，由边缘效应引起的电场线空间分布近似半椭圆，其电容量的计算可参考不考虑边缘效应时电容量的分析过程。则电容量C2为：
单片式双矩形电极在外加激励电压的作用下，其总电容量是在不考虑边缘效应的作用下的电容量C1和单独考虑边缘效应的电容C2的叠加，即总的电容量C为：
本发明将3对单片式双矩形电极呈梳齿状交叉置于同一平面，构成单片叉指形电容极板，该结构的电容极板的基础电容量为：
其中b为极板的长度，a为极板的宽度，d为极板的间距，为电容传感器检测空间的等效介电常数，N为极板的对数。
当无种子通过时，即空场。
为空气的介电常数
则空场时的电容传感器的基础电容为：
当取种盘携种通过时，即单粒种子或多粒种子。
其中，V、V1和V2分别为电容极板间检测场总体积、种子体积和剩余空气所占体积。则此时的电容传感器的电容量为：
单片机控制模块，该模块主要由STM32系列的控制芯片所组成的单片机电路所组成，该电路组成主要包括由单片机晶振电路、单片机复位电路、JTAG接口电路、电源接口电路和蜂鸣器报警电路组成。该模块主要通过I2C总线实现对测量结果的读取，对电容采集模块的编程，同时进行数据处理，同时将数据通过USB串口通信模块上传给上位机。
电压转换模块，该模块主要由LM7805芯片和LM1117RS-3.3芯片所组成的电压转换电路组成，LM7805芯片固定输出电压为5V,内部集成有过流和过载电路，其正常工作温度范围为-40℃~125℃。LM1117RS-3.3芯片固定输出电压为3.3V时，具有1%的精度，其正常工作温度范围为-40℃~125℃，这两种芯片都适于播种机田间应用作业。其中LM7805电压转换电路可将车载±12V的稳压电源转换，稳定输出5V电压。LM1117RS-3.3电压转换电路可将5V电压转换稳定输出为3.3V电压，以保证单片机模块和电容采集模块的正常工作。LM7805和LM1117RS-3.3芯片所组成的电压转换模块适于排种器的田间工作温度，可以保证排种器排种实时监测系统的正常工作。
电源模块，该模块主要由车载±12V的稳压电源供电，±12V的电压通过LM7805芯片进行降压稳压，稳定输出5V的电压，然后再与LM1117RS-3.3芯片所组成的电压转换模块连接，经LM1117RS-3.3芯片稳定输出电压3.3V，分别为单片机模块和电容采集模块供电。
USB串口通信模块，该模块属于USB转TTL232模块，利用USB完成单片机与PC机的串口通信。该模块的主要功能是实现单片机和PC机的通信。
一种气吸式排种器排种实时监测系统，包括：
对电容式传感器即单片式叉指型电容极板的电容值进行实时检测；
单片机控制电容采集芯片完成电容传感器的数据采集，并通过系统内部将电容信号转换为数字信号；
电容采集模块通过I2C总线将采集到的数据传输给单片机，单片机控制模块将采集到的数据进行处理分析；
单片机根据在电容采集模块所采集到的极板电容值的变化量，确定取种盘的取种情况，并将采集到的电容数据通过USB通讯模块传输至上位机；
上位机虚拟仪器软件的程序设计是排种器排种实时监测系统的重点，其主要包括数据通讯、运算处理、排种器性能指标的显示、排种器排种故障报警提示等功能。
本发明所述的排种器排种实时监测系统，通过单片机控制电容采集模块完成电容传感器的数据采集，并通过单片机处理所采集到的电容变化量，从而能进一步获取排种器重播、漏播和排种器排空等指标，并且单片机可控制报警电路向操作者发出报警提示。单片机将处理后的数据结果通过USB通讯模块上传至上位机，上位机通过虚拟仪器软件Labview，将接收的电容值数据处理分析得出排种器的性能指标，并针对排种器发生的故障情况发出相应的报警提示，实现气吸式排种器排种过程的实时监测。
附图说明
图1是实施例一中基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统的总体框图。
图2是实施例二中基于电容式传感器的气吸式排种器排种实时监测系统的工作示意图。
图3是实施例三中电容式传感器的示意图（单片式叉指型电容极板）。
图4是实施例四中电容式传感器的工作原理示意图。
图5是实施例五中电容传感器在气吸式排种器的内外侧部署示意图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图和实施例对本发明做进一步说明：
实施例一
由附图1可以看出本实施例基于电容式传感器气吸式排种器排种实时监测系统，主要包括电容式传感器、电容采集模块、单片机控制模块、电源模块、USB通讯模块和上位机组成，其特征在于电容式传感器的极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端，通过同轴接口和屏蔽导线与电容采集模块连接，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接，借助于Pcap02芯片的寄生电容补偿功能实现外部寄生电容的自动补偿，以避免外部寄生电容对电容测量精度的影响。电容采集模块分别与单片机控制模块和电压转换模块连接，其中电容采集模块中的电容数字转换芯片通过I2C总线与单片机控制模块进行连接，实现编程和数据输出。LM7805电压转换电路可将车载±12V的稳压电源转换，稳定输出5V电压，为单片机模块供电。LM1117RS-3.3电压转换电路可将5V电压转换稳定输出为3.3V电压，以保证电容采集模块的正常工作。LM7805和LM1117RS-3.3芯片所组成的电压转换模块适于排种器的田间工作温度，可以保证排种器排种实时监测系统的正常工作。单片机控制模块通过USB通讯模块与上位机连接，上位机设有触摸屏作为人机交互的终端，通过虚拟仪器的界面实时获取取种盘的取种情况，以便操作人员及时发现故障。
实施例二
气吸式排种器的排种过程主要包括种室的充种、取种盘的取种、取种盘的携种运动、清种刷的清种以及取种盘的投种等过程，由附图2可以看出取种盘的携种运动轨迹为固定弧线，所以在与其他构件不形成干涉的条件下，将本实施例中电容式传感器平行置于种子运动轨迹的上方，并确保种子从电容极板下穿出。电容传感器极板两端分别与电容采集模块的激励端口EXCA和∑—△调制器的输入端通过同轴接口和屏蔽导线进行连接，以避免系统杂散电容和外部寄生电容对电容测量精度的影响，屏蔽导线和同轴接口的屏蔽端与PCB接地端连接。
实施例三
电容式传感器的主要参数有：电极的边长即长度和宽度、电极极板的间距、电极片厚度、电极片基板厚度以及极板材料的相对介电常数，在极板结构确定的情况下，传感器的信号强度基本由电极长度、电极宽度以及电极间距三个参数所决定。
本实施例中是实施例一中的电容传感器的示意图，由附图3可以看出，电容式传感器即单片式叉指形电极的主要尺寸包括基板长度B、极板长度L、极板宽度a、极板齿宽b、极板间距d和极板侧宽e。
实施例四
本实施例中是电容传感器的工作原理示意图，由附图4可以看出当取种盘携种经过电容传感器的检测空间时，电容极板的电容值会发生变化，由于取种盘空场、单粒和多粒种子三种取种情况所引起极板电容量的变化不同，所以通过检测极板的电容变化量，就可以确定取种盘的取种情况，进一步运算可获得排种器的性能指标。
实施例五
由附图5可以看出电容式传感器安装在排种器的排种盖的内侧，与取种盘保持一定距离。由图可以看出电容式传感器安装在清种携种区，其电容式传感器的调节螺栓的位置位于排种器的排种盖和观察窗口上。参照附图5可以看出电容传感器安装在排种盖上，为满足电容传感器的工作要求，电容传感器的位置参数极其重要。其中主要包括极板与取种盘的间距和在平行于取种盘情况下电容传感器自身的角度，这两个参数主要通过两个螺栓分别与螺纹孔和弧形槽配合实现调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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